Организм, или особь, - отдельное живое существо, в процессе онтогенеза проявляющее все свойства живого. Постоянное взаимодействие особи с окружающей средой в виде организованных потоков энергии и вещества поддерживает ее целостность и развитие. В структурном отношении организм представляет собой интегрированную генотипом и эпигенетическими механизмами иерархическую систему, построенную из клеток, тканей, органов и систем, обеспечивающих его жизнедеятельность. Общие принципы эволюционных преобразований биологических структур от генов, клеток, тканей до органов, систем жизнеобеспечения и организма в целом едины. Подробнее остановимся на органах и системах жизнеобеспечения.
Органом называют исторически сложившуюся специализированную систему тканей, характеризующуюся отграниченностью, постоянством формы, локализации, внутренней конструкции путей кровообращения и иннервации, развитием в онтогенезе и специфическими функциями. Строение органов часто очень сложно. Большинство из них полифункционально, т.е. выполняет одновременно несколько функций. В то же время в реализации какой-либо сложной функции могут участвовать различные органы.
Группу сходных по происхождению органов, объединяющихся для выполнения сложной функции, называют системой (кровеносная, выделительная и др.).
Если одну и ту же функцию выполняет группа органов разного происхождения, ее называют аппаратом. Примером служит дыхательный аппарат, состоящий как из органов собственно дыхания, так и из элементов скелета и мышечной системы, обеспечивающих дыхательные движения.
В процессе онтогенеза происходит развитие, а часто и замена одних органов другими. Органы зрелого организма называют дефинитивными; органы, развивающиеся и функционирующие только в зародышевом или личиночном развитии, - провизорными. Примеры провизорных органов: жабры личинок земноводных, первичная почка и зародышевые оболочки высших позвоночных животных (амниот).
В историческом развитии преобразования органов могут иметь прогрессивный или регрессивный характер. В первом случае органы увеличиваются в размерах и становятся более сложными по своему строению, во втором - уменьшаются в размерах, а их строение упрощается.
Если у двух организмов, находящихся на разных уровнях организации, обнаруживаются органы, которые построены по единому плану, расположены в одинаковом месте и развиваются сходным образом из одинаковых эмбриональных зачатков, то это свидетельствует о родстве данных организмов. Такие органы называют гомологичными. Гомологичные органы часто выполняют одну и ту же функцию (например, сердце рыбы, земноводного, пресмыкающегося и млекопитающего), но в процессе эволюции функции могут и меняться (например, передних конечностей рыб и земноводных, пресмыкающихся и птиц).
При обитании неродственных организмов в одинаковых средах у них могут возникать сходные приспособления, которые проявляются в возникновении аналогичных органов. Аналогичные органы выполняют одинаковые функции, строение же их, местоположение и развитие резко различны. Примерами таких органов являются крылья насекомых и птиц, конечности и челюстной аппарат членистоногих и позвоночных.
Строение органов строго соответствует выполняемым ими функциям. При этом в исторических преобразованиях органов изменение функций непременно сопровождается и изменением морфологических характеристик органа.
13.3.1. Дифференциация и интеграция в эволюции биологических структур
Основной принцип эволюции биологических структур - принцип дифференциации. Дифференциация представляет собой разделение однородной структуры на обособленные части, которые в силу различного положения, связей с другими органами и различных функций приобретают специфическое строение. Таким образом, усложнение структуры всегда связано с усложнением функций и специализацией отдельных частей. Дифференцированная структура выполняет несколько функций, и строение ее сложно.
Примером филогенетической дифференциации может быть эволюция кровеносной системы в типе хордовых. Так, у представителей подтипа бесчерепных она построена очень просто: один круг кровообращения, отсутствие сердца и капилляров в системе жаберных артерий.
В надклассе рыб имеются двухкамерное сердце и жаберные капилляры. У земноводных впервые появляется разделение кровеносной системы на два круга кровообращения, а сердце становится трехкамерным. Максимальная дифференциация характерна для кровеносной системы млекопитающих, сердце которых четырехкамерное, а в сосудах достигается полное разобщение венозного и артериального кровотоков.
Отдельные части дифференцирующейся, ранее однородной структуры, специализируясь на выполнении одной функции, становятся функционально все более зависимыми от других частей данной структуры и от организма в целом. Такое функциональное соподчинение отдельных компонентов системы в целостном организме называют интеграцией.
Четырехкамерное сердце млекопитающих представляет собой пример высокоинтегрированной структуры: каждый отдел выполняет лишь свою специальную функцию, не имеющую никакого смысла в отрыве от функций других отделов. Поэтому сердце снабжено автономной системой функциональной регуляции в виде парасимпатического атриовентрикулярного нервного узла и при этом строго подчинено нейрогуморальной системе регуляции организма в целом.
Таким образом, одновременно с дифференциацией наблюдается и подчинение частей целостной системе организма, т.е. процесс интеграции.
13.3.2. Закономерности морфофункциональных преобразований органов
В основе филогенетических преобразований органов лежит их полифункциональность и способность к количественным изменениям функций. Практически все органы выполняют не одну, а несколько функций, причем среди них всегда выделяется главная, а остальные второстепенны. Строение такого полифункционального органа обязательно соответствует главной функции. Так, рука человека может использоваться для лазания по деревьям, плавания, даже хождения. Но основной ее функцией является трудовая деятельность. В связи с этим и строение руки в максимальной степени соответствует функции труда.
Один из основных принципов эволюции органов - принцип расширения и смены функций. Расширение функций сопровождает обычно прогрессивное развитие органа, который по мере дифференциации выполняет все новые функции. Так, парные плавники рыб, возникшие как пассивные органы, поддерживающие тело в воде в горизонтальном положении, с приобретением собственной мускулатуры и прогрессивным расчленением становятся еще и активными рулями глубины и поступательного движения.
У придонных рыб они обеспечивают также их передвижение по дну. С переходом позвоночных на сушу к перечисленным функциям конечностей добавились хождение по земле, лазание, бегание и др.
Расширение функций сопровождается специализацией, благодаря которой главной функцией становится, та, которая ранее была второстепенной. Бывшая главной функция преобразуется во второстепенную и может впоследствии даже исчезнуть. Орган при этом меняется таким образом, что его строение становится максимально соответствующим выполнению главной функции. Так, переход предков ластоногих и китообразных к водному образу жизни привел к преобразованию их парных конечностей в ласты, практически утратившие способность обеспечивать передвижение по суше. Жизнь ленивцев, представителей отряда неполнозубых, на деревьях привела к формированию у них крючкообразных конечностей, с помощью которых возможно лишь медленное перемещение по веткам в подвешенном состоянии с почти полной утратой способности движения по земле.
Нередко функции, выполняемые органами, могут измениться кардинально. Так, плавательный пузырь рыб, будучи гидростатическим органом, у кистеперых рыб становится дополнительным органом дыхания, а у земноводных он преобразуется в легкое, и основной функцией его становится дыхательная. У пресмыкающихся и млекопитающих, ведущих наземный образ жизни, легкие выполняют только дыхательную функцию, но первичная функция плавательного пузыря сохраняется за легкими у крокодилов, ластоногих и китообразных, ведущих водный образ жизни, а также у наземных форм во время плавания.
В других случаях видоизменения органов в связи со сменой их функций столь велики, что выполнение ими функций, бывших ранее главными, становится невозможным. Так, передние жаберные дуги предков хрящевых рыб преобразовались в челюсти, а у наземных позвоночных они стали выполнять функции звукопроводящего аппарата, превратившись в слуховые косточки (см. п. 14.2.1). Участие их в пищеварении и дыхании стало невозможным. Смена функций при смене сред обитания затрагивает не только дефинитивные органы, но и провизорные (см. п.7.5.4.). Аллантоис у яйцекладущих амниот выполняет выделительную функцию, а у плацентарных млекопитающих это важный структурно-функциональный компонент плаценты. Личинка лягушки Eleutherodactylus, развивающаяся не в водной среде, а на суше, использует хвост, пронизанный кровеносными сосудами, не как структуру опорно-двигательного аппарата, а в качестве дыхательного органа (рис. 13.21).
Дифференцировка и смена функций - принцип, лежащий и в основе эволюции широкого ряда биологически активных веществ, например гормонов. Так, гормоны белковой природы - глюкагон, регулирующий уровень глюкозы в крови, и секретин, контролирующий в поджелудочной железе секрецию воды и электролитов, имеют очень сходное строение, отличаясь друг от друга 13 аминокислотами, из которых 7 химически очень близки, а только 6 существенно отличаются. Это несомненное доказательство того, что оба гормона произошли за счет дивергенции от молекулы-предшественника в эпоху раннего Палеозоя. Чрезвычайно сходно также строение гормонов гипоталамуса - вазопрессина и окситоцина. Первый из них повышает артериальное давление, а второй - вызывает сокращение матки во время родов и регулирует секрецию молока молочной железой. Вероятно, и эти гормоны либо произошли один от другого, либо оба возникли из какого-то исходного гормона.
В прогрессивной эволюции биологических структур очень важен принцип активации функций. Он обычно реализуется на начальных этапах эволюции органов в том случае, когда малоактивный орган начинает активно выполнять функции, существенно при этом преобразуясь.
Так, одна из передних жаберных дуг предков позвоночных, выполнявшая вначале опорную функцию по отношению к переднему отделу пищеварительной трубки, преобразовалась в челюстной аппарат, обеспечивающий сначала простой захват объектов питания, а затем и их активную обработку.
Рис. 13.21. Лягушонок Eleutherodactylus sp., развивающийся в яйце. Хвост, пронизанный кровеносными сосудами, является органом дыхания
Чаще в филогенезе наблюдается интенсификация функций, следующий этап эволюции органов после активации. Благодаря этому орган обычно увеличивается в размерах, претерпевает внутреннюю дифференцировку, гистологическое строение его усложняется, нередко наблюдается многократное повторение одноименных структурных элементов, или полимеризация структуры. Примером является усложнение структуры легких в ряду наземных позвоночных за счет ветвления бронхов, появления ацинусов и альвеол на фоне постоянной интенсификации функций. Высокая степень дифференцировки может сопровождаться уменьшением числа одинаковых органов, выполняющих одну и ту же функцию, или их олигомеризацией. Это явление наблюдается, к примеру, в эволюции артериальных жаберных дуг, которые закладываются у хрящевых рыб в количестве 6-7 пар, у костных рыб их становится 4 пары, а у млекопитающих, в том числе человека, сохраняются в дефинитивном состоянии лишь части 3-й, 4-й и 6-й пар (см. п. 14.4).
Иногда в процессе интенсификации функций наблюдается тканевая субституция органа - замещение одной ткани другой, более соответствующей выполнению данной функции. Так, хрящевой скелет хрящевых рыб сменяется на костный в более высокоорганизованных классах позвоночных.
В противоположность интенсификации и активации ослабление функций ведет в филогенезе к упрощению строения органа и его редукции, вплоть до полного исчезновения.
13.3.3. Возникновение и исчезновение биологических структур в филогенезе
В процессе эволюции закономерно как возникновение новых структур, так и их исчезновение. В основе возникновения биологических структур лежит принцип дифференциации, проявляющийся на фоне первичной полифункциональности и способности функций изменяться количественно. Любая структура при этом возникает на основе предсуществующих структур вне зависимости от того, на каком уровне организации живого осуществляется процесс филогенеза. Так, известно, что около 1 млрд лет назад исходный белок глобин вслед за дупликацией исходного гена дифференцировался на мио- и гемоглобин - белки, входящие в состав соответственно мышечных и кровяных клеток и дифференцировавшиеся в связи с этим по функциям. В филогенезе центральной нервной системы хордовых также можно видеть дифференцировку и смену функций структур: головной мозг формируется из переднего конца нервной трубки. Таким же образом новые биологические виды образуются в виде изолированных популяций исходных видов (см. п. 11.6), а новые биогеоценозы - за счет дифференцировки предсуществующих (см. п. 16.2).
В связи с тем, что ниже будут рассмотрены филогенезы конкретных систем органов, подробнее остановимся на закономерностях возникновения и исчезновения органов.
Примером возникновения органов служит происхождение матки плацентарных млекопитающих от парных яйцеводов. При удлинении эмбрионального развития млекопитающих появляется необходимость более длительной задержки зародыша в организме матери. Это может осуществляться только в каудальных отделах яйцеводов, полость которых при этом увеличивается, а стенка дифференцируется таким образом, что к ней прикрепляется плацента, обеспечивающая взаимосвязь организма матери и плода. В процессе естественного отбора сохранялись и успешно размножались в первую очередь те млекопитающие, в организмах самок которых потомство развивалось наиболее долго. В итоге возник новый орган - матка, обеспечивающий зародышу оптимальные условия внутриутробного развития (см. п. 14.5.3) и повышающий выживаемость соответствующих видов.
В возникновении такого более сложного и специализированного органа, как глаз, наблюдаются те же закономерности. В основе формирования органа зрения, как и всех органов чувств, лежат клетки кожного эпителия, среди которых дифференцируются и рецепторные, в частности светочувствительные. Объединение их в группы приводит к возникновению примитивных обособленных органов зрения, позволяющих животным лишь оценивать освещенность. Погружение такого светочувствительного органа под кожу обеспечивает сохранность нежных клеток, но при этом зрительная функция может осуществляться только благодаря возникновению прозрачности покровов. Чувствительность к свету примитивного органа зрения усиливается при утолщении прозрачных покровов и приобретении ими способностей преломлять свет и фокусировать его лучи на чувствительных клетках глаза. Сложный орган требует вспомогательного аппарата - защитных структур, мышц, приводящих его в движение, и т.д. Возросший уровень сложности организации глаза с необходимостью сопровождается усложнением регуляции его функций, что и выражается в усилении его интеграции как целостной системы.
Исчезновение, или редукция, органа в филогенезе может быть связана с тремя разными причинами и имеет различные механизмы. Во-первых, орган, выполнявший ранее важные функции, может оказаться в новых условиях вредным. Против него срабатывает естественный отбор, и орган довольно быстро может полностью исчезнуть. Примеров такого прямого исчезновения органов немного. Так, многие насекомые малых океанических островов бескрылы вследствие постоянной элиминации из их популяций летающих особей ветром. Большинство насекомых, ведущих подземный образ жизни, также лишены крыльев, потому что это помеха при перемещении в узких пространствах между частичками почвы. Чаще наблюдается исчезновение органов благодаря их субституции новыми структурами, выполняющими прежние функции с большей интенсивностью. Так исчезают, например, у пресмыкающихся и млекопитающих предпочки и первичные почки, заменяясь функционально вторичными почками. Таким же образом у рыб и земноводных происходит вытеснение хорды позвоночником.
Самый обычный путь к исчезновению органов - через постепенное ослабление их функций. Такие ситуации чаще всего возникают при изменении условий существования. Орган, почти не выполняющий функций, выходит из-под контроля естественного отбора и проявляет обычно повышенную изменчивость. Возникающие изменения вызывают нарушение коррелятивных связей с другими частями организма. Благодаря этому такой орган зачастую становится вредным и против него начинает действовать естественный отбор.
Примеры - полное отсутствие волосяного покрова у китообразных и резкая его редукция у человека. Нередко исчезновение даже жизненно важных органов сопровождается явным биологическим прогрессом филогенетической группы, претерпевающей такие, казалось бы, регрессивные изменения. Это наблюдается в процветающей группе североамериканских безлегочных саламандр, к которой относятся десятки видов этих животных. Размеры их невелики, а дыхание осуществляется исключительно за счет кожных покровов и ротовой полости, слизистая оболочка которой богато васкуляризирована. Исчезновение важных структур широко известно и в растительном мире. Так, все виды орхидей имеют семена, практически полностью лишенные эндосперма. При этом количество производимых семян возрастает в тысячи раз, а их вес соответственно уменьшается. Проростки их полностью лишены хлорофилла. Это резко повышает вероятность их широчайшего расселения, но ограничивает возможности прорастания, что компенсируется симбиозом этих растений с определенными видами грибов, которые обеспечивают молодые растения готовыми органическими веществами, необходимыми для роста и развития. Некоторые виды орхидей, такие, как Neottia nidusavis, полностью лишены листьев и хлорофилла и на протяжении всей жизни остаются абсолютно зависимыми от гриба-симбионта.
В медицинской практике широко известна большая изменчивость рудиментарных органов у человека. Третьи большие коренные зубы, или «зубы мудрости», например, характеризуются не только значительной вариабельностью строения и размеров, но и разными сроками прорезывания, а также особой подверженностью кариесу. Иногда они вообще не прорезываются, а нередко, прорезавшись, в течение ближайших лет полностью разрушаются. То же касается и червеобразного отростка слепой кишки (аппендикса), который в норме может иметь длину от 2 до 20 см и быть расположенным по-разному (за брюшиной, на длинной брыжейке, позади слепой кишки и т.д.). Кроме того, воспаление аппендикса (аппендицит) встречается значительно чаще, чем воспалительные процессы в других отделах кишечника.
Процесс редукции органа противоположен по отношению к его нормальному морфогенезу. Прежде всего обычно выпадают закладки таких частей органа, которые в норме формируются последними. При недоразвитии конечностей у человека обычно в первую очередь недоразвиваются фаланги I и V пальцев, закладывающиеся последними. У китообразных, совершенно лишенных задних конечностей благодаря ослаблению их функций в филогенезе, все же остаются закладки элементов тазового пояса, формирующиеся в процессе морфогенеза наиболее рано.
Исследования генетических основ редукции органов показали, что структурные гены, регулирующие морфогенез, не исчезают, в то время как существенным изменениям подвергаются гены, регулирующие время закладки рудиментарных органов, либо гены, ответственные за феномен индукционных взаимодействий в развивающемся зародыше. Действительно, при пересадках мезодермального материала дна ротовой полости зародыша ящерицы в ротовую полость развивающегося цыпленка возможно формирование у последнего зубов типичного строения, а пересадка кожной мезодермы ящерицы под эпидермис спины цыпленка приводит к формированию в нем типичных роговых чешуй вместо перьев.
Недоразвившиеся органы носят название рудиментарных или рудиментов. К рудиментам у человека относят, во-первых, структуры, потерявшие свои функции в постнатальном онтогенезе, но сохраняющиеся и после рождения (волосяной покров, мышцы ушной раковины, копчик, аппендикс как пищеварительный орган), и, во-вторых, органы, сохраняющиеся только в эмбриональном периоде онтогенеза (хорда, хрящевые жаберные дуги, правая дуга аорты, шейные ребра и др.).
Крайне редко редукция органов оказывается настолько полной, что от них не остается даже эмбриональных закладок. Пример такого полного исчезновения органов - редукция парных конечностей у большинства змей. Обычно же эмбриональные закладки органов, выполнявших серьезные функции даже у весьма отдаленных предков и давно утративших свое значение в постнатальном онтогенезе, продолжают развиваться у потомков в эмбриогенезе неопределенно долгое время. В первую очередь это относится к органам, связанным тесными морфогенетическими корреляциями с другими зачатками в зародышевом развитии. Так, хорда у всех позвоночных выполняет роль организационного центра, под контролем которого развиваются нервная трубка, позвоночник и дифференцируются сомиты. Нарушение развития даже участка хорды влечет за собой грубые пороки развития соответствующих структур. Возможны и другие причины сохранения рудиментарных структур в филогенезе, например, в случае кардинального изменения их значения в жизнедеятельности организмов. Сохранившиеся в рудиментарном состоянии элементы тазового пояса у самцов китообразных принимают участие в поддержании органов половой системы во время оплодотворения (рис. 13.22).
Не менее тесными взаимными связями характеризуются элементы мочеполовой системы позвоночных. Так, мочеточники, связывающие нефроны предпочки с внешней средой у круглоротых, преобразуются у рыб и более высокоорганизованных классов позвоночных в два мочеполовых протока, выполняющих разные функции (см. п. 14.5.3), а рудиментирующиеся нефроны первичной почки у пресмыкающихся и млекопитающих выполняют функцию эмбриональных организаторов: стимулируют развитие нефронов вторичной почки.
Рис. 13.22. Рудименты тазового пояса самца кита служат опорой для половых органов
13.3.4. Атавистические пороки развития
Различного рода нарушения эмбриогенеза могут привести к формированию у высокоорганизованных животных, в том числе человека, таких признаков, которые при нормальных условиях у них не встречаются, но присутствуют у более или менее отдаленных предков. Такие признаки называют атавизмами. Если они снижают жизнеспособность и проявляются как морфологические аномалии, то их называют атавистическими или анцестральными (от франц. ancetre - предок) пороками развития. На аномалии развития такого рода впервые обратил внимание великий немецкий писатель, поэт и ученый - энциклопедист И.-В. Гете, связав их происхождение с предшествующей эволюцией. Объектом его внимания были розы, которые иногда образуют необычные цветы: лепестки их бывают зеленого цвета и по строению напоминают обычные листья, а недоразвитые тычинки и пестики похожи на зачаточные обесцвеченные лепестки или уродливые листья. Сравнивая такие цветы с нормальными и анализируя процесс морфогенеза цветка, он впервые сделал вывод о неразрывной связи индивидуального развития с филогенезом и создал теорию происхождения цветка высших цветковых растений в результате видоизменения укороченного вегетативного побега. Эту теорию подтверждают современные исследования. На рис. 13.23 представлены развивающиеся и зрелые шишки европейской лиственницы, выросшей в экологически неблагоприятном районе. Дифференцировка чешуй шишек нарушена, а главные оси их видоизменены, представляя собой обычные вегетативные побеги. Этот пример иллюстрирует типичный атавистический порок развития в растительном мире и доказывает происхождение шишек голосеменных, как и цветков покрытосеменных растений, в результате дифференцировки укороченных вегетативных побегов.
По механизмам формирования различают четыре варианта атавистических аномалий. Наиболее часто встречаются атавизмы, связанные с недоразвитием органов на тех этапах морфогенеза, когда они рекапитулировали предковое состояние. К примерам аномалий этого типа относятся двух- и трехкамерное сердце, гипоплазия, или недоразвитие диафрагмы, срединная расщелина твердого нёба, или «волчья пасть», и др. Атавизмы другого рода - результат нарушения редукции - пер-систирование (сохранение) эмбриональных структур, также рекапитулирующих морфологию, характерную для предков. К ним относят персистирование боталлова протока (см. п. 14.4), латеральные свищи шеи, щитоязычный канал (см. пп. 14.2.1, 14.3.4). Третий тип атавистических пороков развития возникает в связи с нарушением перемещения органов в онтогенезе, результатом чего становится их расположение в тех частях тела, где при нормальных условиях они находятся у предковых форм. У человека широко известны тазовое расположение почек (см. п. 14.5.1), крипторхизм (неопущение яичника), высокое стояние плечевого пояса и др. Четвертый тип анцестральных аномалий - развитие структур, характерных в норме для предковых форм, до функционирующего состояния. К ним относятся у человека такие аномалии, как полимастия, сохранение как левой, так и правой дуг аорты, ребер в шейном отделе (см. пп. 14.1, 14.2, 14.4.).
Рис. 13.23. Развитие шишек у лиственницы европейской: а - нормально развивающиеся и зрелая шишки; б - аномальное развитие. Нарушение дифференцировки побегов, приводящее и формированию шишек, оси которых преобразуются в вегетативные побеги; в - аномальные зрелые прошлогодние шишки (фото, оригинал)
Практически во всех случаях атавизмов ведущие механизмы их возникновения - не обратные мутации структурных генов, приводящие к формированию предкового фенотипа, а, вероятно, мутации регуляторных генов, которые контролируют скорость морфогенеза и запуск процессов, направленных на редукцию органов. Действительно, для формирования любой структуры в многоклеточном организме необходимо скоординированное функционирование многих регуляторных и структурных генов. Одновременное возникновение адекватных друг другу мутаций целого комплекса таких генов крайне маловероятно. Однако на базе генных комплексов, унаследованных от предков, многие предковые структуры закономерно рекапитулируют в ходе эмбриогенеза, а время этих рекапитуляции и редукций контролируется значительно проще и небольшим числом генов. Мутации таких регуляторных генов гораздо более вероятны.
13.3.5. Аллогенные аномалии и пороки развития
Атавистические пороки развития, объясняющиеся ходом предшествующей эволюции, относят к разряду филогенетических пороков. К этой же группе аномалий принадлежат и так называемые аллогенные аномалии. Это врожденные нарушения, имеющие в своей основе генетические дефекты. Они встречаются одновременно у ряда родственных, но не предковых организмов и являются выражением закона гомологических рядов.
Н.И. Вавилов в 1935 г. обратил внимание на то, что растения разных видов и родов, сходные по происхождению, обладают сходными рядами наследственной изменчивости, и объяснил эту закономерность сходством основных характеристик аллелофондов видов, еще недавно претерпевших дивергенцию. Эта закономерность была названа законом гомологических рядов.
Действие закона гомологических рядов распространяется на широкий круг биологических объектов. Попытки сопоставить гомологии генотипа с морфофункциональными гомологиями не всегда успешны. Действительно, нет уверенности в том, что такое, с точки зрения сравнительной анатомии, бесспорно гомологическое образование, как хорда зародыша человека и личинки асцидии (животного, относящегося к подтипу Личиночно-хордовые Urochordata типа Хордовые), абсолютно гомологично и с позиций генетического контроля его морфогенеза. Однако изучение кариотипов цитогенетическим методом с использованием дифференциальной окраски хромосом и последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК методом гибридизации (см. п. 15.2) у близких и более отдаленных видов привело к выводу о том, что закон гомологических рядов распространяется по крайней мере на виды в пределах рода, семейства, отряда, а по многим признакам - и в рамках класса. Так, известно, что ген, ответственный за синтез фактора VIII в системе свертывания крови, расположен в Х-хромосоме не только у человека, но и у приматов и даже у собак. Поэтому и у этих видов животных гемофилия встречается преимущественно у самцов, наследуясь так же, как и у человека.
В природе хорошо известен аллель альбинизма, гомологичный у всех млекопитающих, а также и у других классов позвоночных. Среди млекопитающих распространен мутантный аутосомнодоминантный аллель FGFR 3, приводящий к преждевременной дифференцировке и гибели части клеток эмбриональной остеогенной хрящевой ткани в зонах роста трубчатых костей. Результатом его экспрессии становится развитие ахондроплазии, или хондродистрофической карликовости, при которой характерно резкое укорочение и искривление конечностей (рис. 13.24, б).
В морфогенезе мягких тканей морды млекопитающих и лица человека имеется срастание двух половин верхней губы за счет избирательной клеточной адгезии. У ряда травоядных животных, питающихся грубыми злаками или колючими ветками (грызуны, зайцы, верблюды), срастание верхней губы нерационально. В процессе естественного отбора у них закрепились адаптивные мутации, нарушающие клеточную адгезию при формировании верхней губы из трех зачатков. Нарушение клеточной адгезии этих зачатков у человека приводит к развитию довольно часто встречающейся аномалии, называемой заячьей губой.
Рис. 13.24. Аллогенные аномалии развития: а - альбинизм у белки, крокодила, ежа и мальчика негроидной расы; б - ахондроплазия у человека и собаки; в - синдром Ваарденбурга у человека и мыши
У людей аллогенные аномалии встречаются очень часто. Даже такой генетический дефект, как синдром Дауна, - типичная аллогенная аномалия: известны случаи рождения детенышей гориллы с трисомией хромосомы, соответствующей хромосоме 21 человека. Симптоматика такой трисомии соответствует клинике синдрома Дауна у человека. Среди лабораторных крыс известна генетическая линия, представители которой наследственно склонны к судорожным эпилептическим припадкам, соответствующим по механизмам клинике соответствующих состояний у человека. Эти крысы являются модельным объектом при изучении патогенеза эпилепсии человека и при разработке эффективных методов лечения.
Наиболее интересны с медицинской точки зрения такие аллогенные аномалии развития человека, генетические механизмы развития которых хорошо изучены. Пример - синдром Ваарденбурга, тип 2. У человека это результат доминантной мутации гена Mitf, расположенного в коротком плече третьей хромосомы и в норме экспрессирующегося в процессе эмбрионального развития в пигментных клетках глаз, волосяных фолликулов и в клетках внутреннего уха. Мутация этого гена приводит к развитию глухоты, уменьшению размеров глазных яблок и появлению депигментированных участков кожи и волосяного покрова. Сходная картина наблюдается у мышей, имеющих соответствующую мутацию гена Mitf, совпадающего с человеческим геном как по нуклеотидной последовательности, так и по функциям (рис. 13.24, в).
Мутация гена Kit у человека и мышей регулирующего пролиферацию и миграцию клеток нервного гребня, а также клеток-предшественников гамет и гемоцитобластов, приводит к возникновению стерильности, анемии, депигментации участков кожи и волосяного покрова. Эти симптомы сопровождаются глухотой и нарушением иннервации органов пищеварительного тракта.
Точная диагностика и изучение генетических и морфогенетических механизмов возникновения аллогенных состояний представляют большой интерес и практически важны потому, что дают возможность использования лабораторных животных с соответствующими признаками в качестве экспериментальных моделей для изучения патогенеза, клинической картины и лечения их у человека.